淺談船舶及海洋工程與新能源

利嘉成

【摘?要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識到可持續(xù)發(fā)展的重要。隨著海上經(jīng)濟向著可持續(xù)化方向發(fā)展，柴油動力船舶的環(huán)境污染問題引起社會各界關(guān)注。柴油動力船舶會發(fā)生燃油泄漏等事故，不利于海上環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。近年來，風(fēng)能、太陽能等新能源為動力的船舶動力系統(tǒng)獲得了社會各界的重視。相對于傳統(tǒng)的柴油動力系統(tǒng)，基于新能源的船舶動力系統(tǒng)具有環(huán)保、可持續(xù)的特點，但也存在能量分散、密度低，且易受氣象條件影響。本文就船舶及海洋工程與新能源展開探討。

【關(guān)鍵詞】船舶電力;新能源;電力電子

引言

目前，利用新能源作為動力系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題是電能的轉(zhuǎn)換，即通過電力變換裝置使發(fā)電設(shè)備輸出的電能在形式上與現(xiàn)有的用電設(shè)備的要求相匹配，在品質(zhì)上滿足用戶的需求。如何采用電力電子開關(guān)器件構(gòu)造合適的電力變換裝置是能否解決上述問題的關(guān)鍵。隨著電力電子器件、變流技術(shù)、傳動控制系統(tǒng)以及新能源和新材料等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶電力推進系統(tǒng)正在經(jīng)歷著巨大變革。但是，長期形成的學(xué)科體系和行業(yè)的條塊分割，成為制約新能源與電力推進系統(tǒng)廣泛應(yīng)用和發(fā)展的主要瓶頸之一。因此，特別需要通過學(xué)科交叉研究和開發(fā)與新能源發(fā)電設(shè)備配套的電力電子功率變換器，通過系統(tǒng)集成形成產(chǎn)品，以方便用戶。而且，由于船舶系統(tǒng)的專業(yè)性和特殊性，這一大功率電力傳動控制系統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域未得到應(yīng)有的關(guān)注和重視，致使國內(nèi)在這方面的研究與國外先進水平的差距更加明顯。這也同時給電力電子與傳動控制領(lǐng)域帶來一個巨大的發(fā)展機遇和空間。

1新能源發(fā)電在在船舶電力推進中的應(yīng)用

1.1風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)能發(fā)電就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。其優(yōu)點是可以再生，分布廣泛、沒有污染，但穩(wěn)定性較差，投資成本較高。船舶發(fā)電機組的輸出的電壓幅值和頻率受風(fēng)速的影響很大，因此，船舶利用風(fēng)能推進要配置電力電子功率變換器來進行換流控制，使發(fā)電機組的輸出電壓處于恒壓與恒頻狀態(tài)，功率變換器與風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)集成一般有有直接輸出型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與雙饋型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)兩種方案。

1.2太陽能電池

自上世紀(jì)50年代第一塊實用的硅太陽電池研制成功，太陽能光電技術(shù)已歷經(jīng)了半個世紀(jì)的發(fā)展。目前占主流的太陽電池是硅太陽電池，它又分單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池（總稱晶體硅太陽電池）和非晶硅太陽電池。目前，單晶硅太陽電池組件的平均效率已達(dá)到3%～15%，多晶硅太陽電池組件的平均效率已有12%～14%。未來的研究趨勢表現(xiàn)為兩方面：一方面，研究新的光電技術(shù)，比如有機納米晶太陽電池;另一方面研究晶體硅薄膜太陽電池，開發(fā)大功率太陽能模塊，這些模塊由單晶硅制成，再罐裝到經(jīng)過特別處理的雙層玻璃之間。這些大功率太陽能模塊產(chǎn)生的能量比其他太陽能電池要大10%左右。與此同時，太陽能光電技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)方面，在歷經(jīng)了交通信號、通信、管網(wǎng)保護和邊遠(yuǎn)無電、缺電地區(qū)的居民家庭供電等方面的特殊場合應(yīng)用以后，現(xiàn)在正在邁向較大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。一方面，兆瓦級陽光電站不斷出現(xiàn)，在已建成的兆瓦級電站中，最大的已達(dá)到6.5MW;另一方面，近年來許多國家的政府都非常重視屋頂陽光發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。這些系統(tǒng)以家庭為單位進行安裝供電，同時為了降低造價省去儲能部件（蓄電池），與大電網(wǎng)相聯(lián)，互相補充電能。

1.3燃料電池

燃料電池就是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置的電池，燃料電池的優(yōu)點是來源豐富，熱值高、能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染，但耗能大，儲存和運輸困難。利用燃料電池船舶推進系統(tǒng)必須利用直流斬波器和逆變器構(gòu)成的功率變換裝置進行變換，將燃料電池的輸出電壓與船舶驅(qū)動電機進行匹配。同時燃料電池電壓輸出特性相對較軟，不能直接對船舶驅(qū)動機供電，應(yīng)該要設(shè)置DC/DC變換環(huán)節(jié)。由直流斬波器或開關(guān)電源輸出直流電。船舶推動如果是直流負(fù)載，可采用DC/DC變換，如果是交流負(fù)載可采用DC/AC變換器。

1.4核能的應(yīng)用

核能作為一種動力能源，其產(chǎn)生的能量是巨大的，核動力裝置早已經(jīng)被應(yīng)用于潛艇和航空母艦等軍用艦船，其優(yōu)越性相當(dāng)明顯。但是由于擔(dān)心放射性物質(zhì)污染航道、港口和城市環(huán)境，許多港口不愿接受這種核動力船舶的進出，特別是國際上烏克蘭及日本核泄露的影響更讓人對此無法接受。所以目前來說民用船舶除了一些特殊的船舶如破冰船外，很少考慮使用核動力。不過隨著核技術(shù)的越來越成熟，相信民用商船會加大使用范圍的。

1.5海洋能的應(yīng)用

海洋能是一種蘊藏豐富、分布廣、清潔無污染，但能量密度低、地域性強的能源形式，通常指蘊藏于海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能等。目前，利用海洋能的主要發(fā)展方向是將海浪、海流等短周期波所具有的動能和勢能轉(zhuǎn)換為電能。在船舶上進行海洋能的利用受到多方面條件的制約：其一，海水能量密度不高造成機械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備過于龐大;其二，船舶在運營中是一個移動平臺，在其自身運動過程中同時利用海洋能，將對其自身造成不可避免的負(fù)面影響，如船舶流阻增大和動力性降低等問題。故而直接在航運船舶上應(yīng)用海洋能不是首推的研究方向。但是根據(jù)波浪能和水流能的特點，波浪能發(fā)電可應(yīng)用于航標(biāo)或者小型燈船，水流能可在躉船和航標(biāo)船上得到應(yīng)用。

2電力電子技術(shù)在船舶推進的應(yīng)用

（1）船用UPS。UPS含有儲能裝置的電源，有直流UPS與交流UPS兩大類，是船舶電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，在船舶瞬間失電或船舶電力推進系統(tǒng)的整流單元發(fā)生故障時，裝置可以改為由蓄電池向重要負(fù)載提供不間斷的電力供應(yīng)。蓄電池放電過深或逆變器故障時，負(fù)載自動轉(zhuǎn)由備電通過旁路開關(guān)直接供電，保證供電連續(xù)性。（2）有源濾波器。當(dāng)前，艦船推進電力系統(tǒng)的容量愈來愈大，負(fù)載種類以及數(shù)量不斷增多，輸出功率也不斷增大，對電力系統(tǒng)電力品質(zhì)的要求也愈來愈高，大量實踐表明，在船舶電力推進系統(tǒng)中使用電抗的無源濾波技術(shù)措施不能提升電網(wǎng)的品質(zhì)，而裝置有源濾波器能夠有效抑制負(fù)載投切帶來的網(wǎng)側(cè)諧波，同時，也能夠用于推進電機電流輸入側(cè)以平滑轉(zhuǎn)矩，能有效降低船舶在行駛中產(chǎn)生的振動與噪聲。在因此，當(dāng)前船舶電力推動中的直流配電系統(tǒng)的交流負(fù)載側(cè)加如有源濾波器能夠使交流負(fù)載獲得良好的供電質(zhì)量，目前逐步被廣泛利用。（3）電機驅(qū)動變頻器。在船舶推進系統(tǒng)的電力負(fù)荷中，風(fēng)機與泵類等電動機負(fù)載比重很大，因此通過變頻器對風(fēng)機與泵類等電動機進行調(diào)速控制能夠提升船舶推進的各項性能指標(biāo)，船舶應(yīng)用于電力推進電動機的調(diào)速變頻器主要有CSR直流調(diào)速、電流源逆變器、循環(huán)變流器以及PWM變頻器等。

結(jié)語

總之，當(dāng)前新能源與電力電子傳動控制是船舶電力推進研究的重要內(nèi)容，在船舶航運上應(yīng)用的更加廣泛，利用效率也會越來愈高，是解決當(dāng)前環(huán)境污染問題和資源枯竭問題的重要途徑，應(yīng)用的前景必定更加廣闊。

參考文獻：

[1]魏紹鵬，望建鵬，黎庶，等.光伏發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究[J].變頻技術(shù)應(yīng)用，2016（6）：120–124.

[2]和樹海，袁成清，孫玉偉，等.基于船舶電力系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電實驗平臺設(shè)計及評價[J].船舶工程，2017（2）：67–69.

[3]楊興林，嚴(yán)新發(fā)，趙良才.面向MC的船舶敏捷制造系統(tǒng)特征及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].造船技術(shù)，2015（6）：9–13.

（作者單位：廣州航海學(xué)院）